Современные тенденции развития гидроакустических методов подводного наблюдения
«Современные тенденции развития
гидроакустических методов подводного наблюдения» (обзор)
В.В.Коваленко (Научный совет по комплексной проблеме «Гидрофизика» при Президиуме РАН)
Гидроакустика обеспечивает решение ряда практических задач. Поэтому закономерно, что требования к гидроакустическим средствам (ГАС) и направления их развития оказываются связанными с разработками более высокого уровня.
В соответствии с [1] ГАС делятся на тактические и стратегические. К первым относятся те, что устанавливаются на малых платформах и должны иметь дальности обнаружения (ДО) подводных целей (ПЦ) до единиц км. К этой же группе, но с требованиями иметь ДО ПЦ до десятков км, относятся бортовые ГАС надводных (НП) и подводных платформ (ПП). Ко вторым относятся ГАС, которые называют системами подводного наблюдения (СПН). Последние для того, чтобы оправдать свое назначение, должны иметь ДО ПЦ порядка сотен миль. Они подразделяются на мобильные и стационарные, которыми оборудуют заданный район моря.
В [2] приведены оценки снижения уровней, излучаемого ПЦ шума и оценки дальностей их обнаружения пассивными ГАС. В частности, для мелкого моря в зависимости от окружающих условий потенциальные ДО наиболее современных ПЦ оценены, как имеющие значения от долей до единиц миль. Оценки влияния обесшумливания ПЦ на эффективность ГАС и их соответствие указанным выше требованиям приведены в [1]. Делается вывод о том, что пассивная гидроакустика, которая долгое время справлялась с уменьшением уровня полезного для нее сигнала путем развития антенн, совершенствования обработки данных, оптимизации рабочих частот уже не в состоянии выйти на уровень предъявляемых требований. Основным направлением развития ГАС и методов подводного наблюдения, начиная с середины 80-х годов становится активная гидролокация. То же касается тактических средств, рассчитанных на средние дальности, где носителем ГАС является НП. Что же касается ГАС ПП, то в числе предлагаемых решений [3] выделяется схема использования ПП заранее развернутых в акватории позиционных ГАС. Предполагается, что связь между ПП и ГАС будет осуществляться по акустическому каналу.
С начала 90-х годов в США появилась стратегическая концепция реагирования на региональные вызовы [4]. Суть этой концепции в применении силы с моря против берега и в интересах стратегического сдерживания [5]. Практически все географически удобные районы применения указанной силы – это мелководные районы. Это определило приоритетное внимание к проблемам акустики мелкого моря.
Достижение больших дальностей подводного наблюдения в условиях мелкого моря в активном режиме с учетом необходимости локализации и слежения за ПЦ и обеспечение дальней акустической подводной связи между различными корреспондентами стали основными направлениями работ.
Известно, что в мелком море имеют место сложные условия для распространения акустических волн из-за влияния дна, и гидрофизических явлений в водном слое. Влияние дна и поверхности проявляется, в частности, путем реверберационного отклика канала распространения, который для традиционных активных ГАС всегда был ограничивающим фактором. В 1994 году была опубликована работа [6], в которой путем моделирования исследовались уровни обратного рассеяния акустического поля на различных частотах в условиях мелкого моря Прием осуществлялся на ненаправленный гидрофон, а излучение – развитой по вертикали антенной решеткой, характеристики которой менялись. В 1995 г. в [7] приведены итоги этой работы. Они позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, использование вертикально-развитых излучающих антенн, согласованных с первой модой волновода, принципиально позволяет в сравнении с ненаправленным излучателем подавить реверберацию до значений более чем 20 дБ. Во-вторых, существует оптимальный в этом смысле частотный диапазон. Для конкретных условий он соответствует интервалу от 200 до 500 Гц. Если принять во внимание, что из-за малых потерь на поглощение звука в воде примерно эти же частоты являются оптимальными для достижения больших ДО[1], то указанные частоты можно считать принципиально пригодными для удовлетворения требований, предъявляемых к СПН. К сказанному надо добавить, что, судя по работе [8], пространственная избирательность вертикальной излучающей антенны должна быть довольно высокой – порядка единиц градусов. Размеры антенны, рабочие частоты, количество преобразователей при заданной глубине моря должны быть в правильном для дальнего обнаружения соответствии. При выполнении этих условий поле зондирующего сигнала эффективно отжимается от дна и поверхности и, как следствие, имеет меньшие потери и уровень реверберации. В [8] утверждается, что, начиная с некоторых расстояний, реверберация уходит под окружающий шум.
В последнее время значительное внимание уделяется экспериментальным исследованиям, связанным с работой вертикально развитых трансиверов на мелководье. Начиная с 1996 г., проводятся эксперименты по фокусировке и изучению когерентности поля на различных частотах [9]. Используется трансивер длиной 77 м., состоящий из 24 преобразователей.
Требование больших ДО для СПН одной стороны и сильная изменчивость океанологических условий в мелком море с другой породили проблему адаптации ГАС в реальном времени и конкретном месте к изменяющимся условиям распространения. [10]. Для гидроакустического излучателя это адаптация к каналу пространственно-частотных характеристик, для приемника это согласованная пространственно-временная обработка сигналов. Решение этих задач видится на пути объединения процедур подводного наблюдения и томографии. Другой путь это объединение инструментария оперативной океанографии и подводного наблюдения [10]. В последнем случае совместно с акустическими элементами СПН предполагается использовать гидрофизические датчики и базы данных по грунтам. Данные от этих датчиков ассимилируются высокоразрешающими океанологическими моделями, осуществляющими оценку и прогноз в реальном времени состояния морской среды. Выходные данные океанологического моделирования являются входными для акустического моделирования. Последнее, как правило, основывается на параболическом приближении решения волнового уравнения [10].
Среди возможных схем построения СПН в [10] особо выделена мультистатическая (МС). Другие схемы являются частными случаями МС. К особенностям МС относят следующие [10].
Возможно достижение контроля больших по площади акваторий путем создания распределенных полей множеств излучателей и приемников.
Имеет место существенное ограничение возможности для ПЦ быть скрытной.
С учетом того, что автономные элементы СПН отделены от своих обитаемых платформ, повышается безопасность последних.
МС построения СПН лишает ПЦ возможности использовать эффект Доплера, так как положения приемников остаются для нее неизвестными.
По сравнению с моностатической гидролокацией для МС требуются, в общем, пониженные уровни излучения зондирующих сигналов.
МС рассматривается как пригодная и для развертываемых позиционных, и для мобильных систем. В обоих случаях в качестве излучателей предлагаются вертикальные антенны в качестве приемников – различные по геометрии. В [11] приводится информация об испытаниях оптимизированной под условия мелкой воды мульти-статической развертываемой системы DUSS. Мобильные системы в качестве приемников используют, как правило, буксируемые горизонтальные антенны.
Литература
1.G.D.Tyler. The Emergence of Low-frequency active acoustics as a critical antisubmarine warfare technology.- John Hop. APL Tech. Digest, v.13, n.1, 1992, pp.145159.
2.T.Stephanick. Strategic Antisubmarine Warfare and Naval Strategy.-Lexington Books, D.C. Heath and Company, Lexington, Mass. 1987
3.T.B.Curtin, R.A.Benson. ONR Program in Underwater Acoustic Communication // Sea Technology, May, 1999, pp. 17-27.
4.J.H. Dalton. Forward…From the Sea, Naval Institute Proceed., Dec.1994, pp 46-49
5.В.Константинов. Военно-морские силы США – курс в 21 век // ЗВО, №8, 1999.
6.D.F.Gingrass. Backscatter reduction through single mode exitation // Proc. of the 2nd European Conf. on Underwater Acoustics, v.1, 1994, pp. 95-100.
7.Naval Forces. Int. Forum for marit. Power, SACLANTCEN, Monch Publ. Gr,1995.
8.M.R. Denney. LFAS in shallow water.- UDT Pacific 98, 1998, pp. 45-46.
9.W.A.Kuperman, W.S.Hodgkiss, H.C.Song. Phase Conjugation in the ocean: Experimental Demonstration of an acoustic time-reversal mirror // JASA, 103(1), 1998.
10.Technology for the United States Navy and Marine Corps, 2000-2035: Becoming a 21-st Centure Force; v.7: Undersea Warfare. 1997.
11.L.Mozzone, S.Bongi. Localization and Fusion of Echoes with Deployable Multi-static Active Sonar: Elevation of feasibility using experimental Data. // Proc. of the 4-th Europ. Conf. on Underwater Acoust., Rome, 1998, pp. 927-931.
Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, 2002
